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基于數(shù)據(jù)耕種與數(shù)據(jù)挖掘的BMD系統(tǒng)效能評估*1

王超1,2，劉付顯1

(1.空軍工程大學 防空反導學院，陜西 西安710051； 2. 空軍裝備研究院 防空所，北京100085)

摘要：針對目前BMD系統(tǒng)的特性，以數(shù)據(jù)為著手點，利用數(shù)據(jù)耕種和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)對BMD系統(tǒng)效能評估所需的數(shù)據(jù)進行預(yù)處理和篩選，繼而對效能進行分析評估，獲得評估結(jié)果。算例證明，利用數(shù)據(jù)耕種與數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)進行武器系統(tǒng)效能評估能獲得更優(yōu)的評價結(jié)果。

關(guān)鍵詞：彈道導彈防御系統(tǒng)；效能評估；數(shù)據(jù)挖掘；數(shù)據(jù)耕種；預(yù)處理和篩選；ADC模型

0引言

彈道導彈防御(ballistic missile defense, BMD)系統(tǒng)在空軍裝備體系中，占據(jù)了重要地位[1-3]。隨著空襲兵器的迅速發(fā)展，威脅日趨嚴重，大力發(fā)展BMD系統(tǒng)已成為世界各軍事強國共識。由于實際戰(zhàn)例少，試驗故障樣本有限，BMD系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能評估問題很多一直是研究的熱點。目前國內(nèi)外對BMD系統(tǒng)的效能評估尚無統(tǒng)一的方法，主要有層次分析法、作戰(zhàn)模擬法、云分析法、Petri網(wǎng)法等方法[4-8]。但是，無論利用哪種分析方法，始終注重的是武器系統(tǒng)效能評估中的數(shù)據(jù)，因為只有實際的數(shù)據(jù)才能給予武器系統(tǒng)效能高低真正的詮釋，才能讓我們對于所擁有的武器裝備有理性的認識。武器系統(tǒng)效能數(shù)據(jù)的獲取在如今這個和平年代顯得有點不切實際，僅僅憑著幾次打靶的數(shù)據(jù)還不足以滿足利用武器系統(tǒng)效能評估獲得真實評估結(jié)果的高額數(shù)據(jù)要求，所以，運用一種技術(shù)去獲取數(shù)據(jù)顯得迫在眉睫。本文針對數(shù)據(jù)獲取這一問題，提出了數(shù)據(jù)挖掘與數(shù)據(jù)耕種技術(shù)，但該技術(shù)在BMD系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能評估上尚未廣泛應(yīng)用。

1評估方法

1.1數(shù)據(jù)耕種

數(shù)據(jù)耕種是一種基于問題性分析的生殖性方法，即以問題為核心進行往復的訓練、數(shù)據(jù)獲取和分析[9-12]。使用該方法可以產(chǎn)出大量對回答所研究的問題有效、可以接受的近似值。數(shù)據(jù)耕種不是利用某個特定的模型給出最終答案，而是從整體視角研究問題結(jié)果的可能性空間，是對傳統(tǒng)分析方法和研究思路的轉(zhuǎn)變。本質(zhì)上是使用高性能計算，在模型整個參數(shù)空間內(nèi)運行，獲取無法直接得到的暗藏線索?；舅枷刖褪窃陉P(guān)注領(lǐng)域生長盡可能多數(shù)據(jù),利用數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)挖掘等方法對生長的數(shù)據(jù)在特定樣本空間內(nèi)進行分析，獲得所關(guān)心問題答案及其發(fā)展趨勢，并指導下一次耕種。用戶對感興趣的問題基于高性能計算平臺開始數(shù)據(jù)的生產(chǎn)，包括施肥、栽培以種植；對收獲的耕種數(shù)據(jù)通過挖掘、可視化等手段進行分析；最后保存獲得的結(jié)果并指導下一次耕種，即實現(xiàn)耕種的再生過程。通過循環(huán)往復，獲取用戶所關(guān)心問題的答案。

如圖1所示，數(shù)據(jù)耕種是一個不斷迭代的循環(huán)過程，主要包括研究問題定義、模型開發(fā)和對抗模擬、參數(shù)空間探索、數(shù)據(jù)探索與分析等4個階段[10]。其中前2個階段對應(yīng)于圖1中左側(cè)的“想定建立”循環(huán)，構(gòu)建描述問題的系統(tǒng)模型，并通過模型或想定的編輯、檢查循環(huán)過程，使得構(gòu)建的模型能夠滿足開發(fā)人員要求。后2個階段對應(yīng)于圖1中右側(cè)的“想定運行空間執(zhí)行”循環(huán)，一旦確定所構(gòu)建的某個想定能夠描述問題，那么就由開發(fā)人員確定需要檢查的想定參數(shù)以及參數(shù)變更方法，通過高性能的計算環(huán)境探索參數(shù)空間，確定被檢查的參數(shù)。最后通過數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)挖掘等方法對輸出結(jié)果進行分析測量。

1.2數(shù)據(jù)挖掘

數(shù)據(jù)挖掘也稱為數(shù)據(jù)庫中的知識發(fā)現(xiàn)，是從大量數(shù)據(jù)中提取出可信、新穎、有價值的模式或規(guī)律等知識的復雜過程，它是數(shù)據(jù)耕種結(jié)果分析的手段之一[13]。可以把它簡單地理解為利用軟件工具和數(shù)據(jù)庫技術(shù)，對數(shù)據(jù)進行前端處理，從大量現(xiàn)存的數(shù)據(jù)中尋找隱藏在其中的有用信息和線索，它是將機器學習應(yīng)用于大型數(shù)據(jù)庫的一種綜合的信息處理技術(shù)[14]。對于一個具體的復雜軍事問題研究來說，可以利用數(shù)據(jù)耕種方法，大量運行軍事模型獲取海量數(shù)據(jù)。對這些海量數(shù)據(jù)進行基于數(shù)據(jù)庫的分析，就是數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的應(yīng)用。

圖1　數(shù)據(jù)耕種過程示圖Fig.1　Process of data mining

一般地，數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)的核心構(gòu)成和處理過程[15]如圖2所示。其中用戶通過人機交互界面輸入數(shù)據(jù)查詢操作或指令任務(wù)，并對數(shù)據(jù)挖掘過程進行主動干預(yù)，例如幫助搜索、確定聚焦興趣度等，用戶界面是用戶和數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)之間通信的橋梁和中介；模式評估模塊根據(jù)用戶的興趣度，在數(shù)據(jù)挖掘模塊的交互配合下，對數(shù)據(jù)進行搜索、歸并、聚焦有趣模式等操作；數(shù)據(jù)挖掘引擎用于對數(shù)據(jù)進行特征化、關(guān)聯(lián)、分類、聚類等操作；知識庫是數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的關(guān)鍵，用于指導數(shù)據(jù)搜索、分析等，其中還包括了數(shù)據(jù)的概念分層和用戶的知識數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)庫服務(wù)器在數(shù)據(jù)處理過程中，根據(jù)用戶的數(shù)據(jù)挖掘請求指令從數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)倉庫等中提取相關(guān)數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)倉庫和其他信息庫是數(shù)據(jù)挖掘的操作對象。整個數(shù)據(jù)挖掘是個重復循環(huán)的迭代過程，使用每種技術(shù)探查數(shù)據(jù)中的細微差別，通過不同的技術(shù)和方法，不斷地循環(huán)分析得到更好的或不同的結(jié)果。

2基于ADC模型的BMD系統(tǒng)效能評估

現(xiàn)有具備反導能力的地空導彈武器系統(tǒng)效能分3個方面，即導彈系統(tǒng)效能(D)、保障系統(tǒng)效能(B)、武器控制系統(tǒng)效能(K)。其中，導彈系統(tǒng)的故障間隔時間TD=42 h，故障修復時間RD=3 h；保障系統(tǒng)的故障間隔時間TB=48 h，故障修復時間RB=4 h；武器控制系統(tǒng)的故障間隔時間TK=64 h，故障修復時間RK=2 h；任務(wù)持續(xù)時間為2 h，且作戰(zhàn)過程中武器裝備不可修復。求出此次打靶該地空導彈能獲得的效能。

(1) 導彈系統(tǒng)效能

導彈系統(tǒng)的可用度為

AD=(TD/(TD+RD),1-TD/(TD+RD))=

(0.933 3，0.066 7).

導彈系統(tǒng)的可信性矩陣為

因為在導彈系統(tǒng)工作正常的情況下，其可靠度就可作為其能力，所以，導彈系統(tǒng)的能力矩陣為

CD=(0.953 5，0).

因此，可以根據(jù)公式計算:

ED=ADDDCD=0.791 92.

(2) 保障系統(tǒng)效能

保障系統(tǒng)可用為

AB=(TB/(TB+RB)，1-TB/(TB+RB))=

(0.923 1,0.076 9).

保障系統(tǒng)的可信性矩陣為

圖2　數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)的構(gòu)成Fig.2　Data mining system composition

同理可得，保障系統(tǒng)的能力矩陣為

CB=(0.959 2， 0).

因此，可以依據(jù)公式計算出保障系統(tǒng)效能

EB=ABDBCB=0.849 31.

(3) 導彈控制系統(tǒng)效能

控制系統(tǒng)可用度為

AK=(TK/(TK+RK)，1-TK/(TK+RK))=

(0.941 2， 0.058 8).

控制系統(tǒng)的可信性矩陣為

同理可得，控制系統(tǒng)的能力矩陣為

CK=(0.969 2， 0).

因此，控制系統(tǒng)的效能為

EK=AKDKCK=0.884 15.

故該型BMD系統(tǒng)的效能為

E1=(0.791 92，0.849 31，0.884 15).

(1)

運用ADC模型求解出的武器系統(tǒng)效能已經(jīng)基本上能夠滿足平日研究需要，但是為了獲取更加精確的效能評估結(jié)果，將引入數(shù)據(jù)耕種和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)對ADC法進行補充和修正，運用數(shù)據(jù)分析所得的結(jié)果進行效能評估，將得到更好的評估效果。

3基于數(shù)據(jù)耕種與數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的BMD系統(tǒng)效能評估

某型具有反導能力地空導彈效能參數(shù)同2.1，其原始數(shù)據(jù)為：TD=42 h，RD=3 h；TB=48 h，RB=4 h；TK=64 h，RK=2 h。

利用數(shù)據(jù)耕種進行循環(huán)提取數(shù)據(jù)[16]，耕種后所得一系列數(shù)據(jù)如表1所示。

表1　數(shù)據(jù)耕種相關(guān)參數(shù)

另外，對于系統(tǒng)的能力，不能僅僅運用其可靠度來表示，為此對系統(tǒng)的能力進行耕種，可得如表2所示數(shù)據(jù)。

表2　數(shù)據(jù)耕種能力值

通過數(shù)據(jù)耕種，得到了一系列與評估該武器系統(tǒng)效能相關(guān)的數(shù)據(jù)，下面，利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)對這些耕種所得的數(shù)據(jù)進行分析，綜合評判，得到相對來說更加精確可靠的數(shù)據(jù)。并依據(jù)所挖掘出的數(shù)據(jù)，再次對系統(tǒng)效能進行評估。

由于數(shù)據(jù)挖掘的實現(xiàn)算法過于繁雜，可以對數(shù)據(jù)進行挖掘所建立的模型賦權(quán)重，即給定每個考慮因素一個相應(yīng)的權(quán)值，即是該因素在所有考慮因素中所占比例的大小，模型為

式中：Yi為各項參數(shù)數(shù)據(jù)挖掘后所得值；ai為各因素所占權(quán)重值；ci為各因素下的參數(shù)值。

所占權(quán)值見表1，2。依此，計算得到各參數(shù)的值：

TD=0.2×40+0.1×45+0.1×41+

0.2×41.8+0.4×42=41.76 h，

RD=0.2×3.5+0.1×2.4+0.1×3+

0.2×3.2+0.4×3=3.08 h，

TB=0.2×46.5+0.1×48.5+0.1×49+

0.2×47.5+0.4×48=47.75 h，

RB=0.2×4.25+0.1×3.62+0.1×4.1+

0.2×4.2+0.4×4=4.062 h，

TK=0.2×63+0.1×62.5+0.1×65+

0.2×64.5+0.4×64=63.85 h，

RK=0.2×1.8+0.1×2+0.1×2.2+

0.2×2.1+0.4×2=2 h.

能力參數(shù)的獲?。?/p>

CD=0.2×0.951 5+0.1×0.96+0.1×

0.942 5+00.2×0.95+0.4×0.953 5=0.951 95，

CB=0.2×0.95+0.1×0.945+0.1×

0.951 5+0.2×0.956+0.4×0.959 2=0.954 53，

CK=0.2×0.965+0.1×0.97+0.1×

0.961+0.2×0.96+0.4×0.969 2=0.965 78.

由此，利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)[17]從耕種的結(jié)果中得出了用于評估系統(tǒng)效能的數(shù)據(jù)，根據(jù)這些數(shù)據(jù)再次利用ADC模型對武器系統(tǒng)效能進行評估。

(1) 導彈系統(tǒng)效能

導彈系統(tǒng)可用度為

AD=(TD/(TD+RD)，1-TD/(TD+RD))=

(0.931 3， 0.068 7),

導彈系統(tǒng)可信性矩陣為

導彈系統(tǒng)的能力為

CD=(0.951 95， 0)，

因此，導彈系統(tǒng)的效能為

ED=ADDDCD=0.845 1.

(2) 保障系統(tǒng)效能

保障系統(tǒng)可用度為

AB=(TB/(TB+RB)，1-TB/(TB+RB))=

(0.921 6, 0.078 4)，

保障系統(tǒng)的可信性矩陣為

保障系統(tǒng)的能力矩陣為

CB=(0.954 53,0)，

因此，保障系統(tǒng)的效能為

EB=ABDBCB=0.843 6.

(3) 導彈控制系統(tǒng)效能

控制系統(tǒng)可用度為

AK=(TK/(TK+RK)，1-TK/(TK+RK))=

(0.969 6, 0.030 4)，

控制系統(tǒng)的可信性矩陣為

控制系統(tǒng)的能力矩陣為

CK=(0.965 78，0)，

因此，導彈控制系統(tǒng)的效能為

EK=AKDKCK=0.907 5.

故該型BMD系統(tǒng)的效能為

E2=(0.845 1，0.843 6，0.907 5).

(2)

4方法評價

首先對武器系統(tǒng)效能采用傳統(tǒng)ADC方法進行評價，得到系統(tǒng)效能為(0.791 92，0.849 31，0.884 15)?；跀?shù)據(jù)耕種與挖掘技術(shù)進行評價時，利用數(shù)據(jù)耕種進行循環(huán)提取數(shù)據(jù)，得到數(shù)據(jù)耕種各能力值，利用權(quán)重賦值對結(jié)果進行挖掘，得到系統(tǒng)效能為(0.845 1，0.843 6，0.907 5)。另運用多種方法進行效能計算，經(jīng)過專家綜合評價，得出的效能近似真值為Eo=(0.85，0.85，0.90)?？梢钥闯?，運用數(shù)據(jù)耕種與數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)進行處理后效能評價值更接近真實的效能值。利用該項技術(shù)能夠有效地幫助人們對數(shù)據(jù)進行微觀、宏觀的統(tǒng)計、分析、綜合和推理，了解數(shù)據(jù)中潛在的規(guī)律，獲取更多、更準確的信息。

5結(jié)束語

本文所提BMD系統(tǒng)作戰(zhàn)效能評估方法，相比傳統(tǒng)ADC模型的方法，運用數(shù)據(jù)耕種與數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，將獲得更加精確和可行的效能評估結(jié)果。該方法對于小樣本試驗數(shù)據(jù)準確評估武器系統(tǒng)作戰(zhàn)效能具有一定的參考價值。

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BMD System Effectiveness Evaluation Based on Data Farming and Data Mining

WANG Chao1，2, LIU Fu-xian1

(1.AFEU,Air and Missile Defense School, Shaanxi Xi’an 710051, China；2.Equipment Academy of Air Force,Land-Based Air Defense Equipment Institute,Beijing 100085,China)

Abstract:Based on characteristics of ballistic missile defense (BMD) system and taking the data as the stance, the data farming and data mining technology is adopted to preprocess and screen the data needed in BMD system effectiveness evaluation, then effectiveness evaluation is analyzed to obtain the evaluation results. The example proves that the data farming and data mining technology to create a weapons systems effectiveness evaluation can obtain better evaluation results.

Key words:ballistic missile defense(BMD) system; effectiveness evaluation; data farming; data mining; preprocess and screen; ADC model

中圖分類號：N945.1；TJ761.3

文獻標志碼：A

文章編號：1009-086X(2015)-05-0039-06

doi:10.3969/j.issn.1009-086x.2015.05.007

通信地址：710051陜西省西安市長樂東路甲字1號空軍工程大學防空反導學院E-mail：caipiao10000@163.com

作者簡介：王超(1980-)，男，甘肅金塔人。碩士生，主要研究方向為地空導彈武器作戰(zhàn)能力評估。

*收稿日期：2015-04-13；修回日期：2015-08-17